應(yīng)用密碼學(xué)的實(shí)踐教學(xué)研究

胡越梅，夏建川，劉效武，李鳳銀

（曲阜師范大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，日照 276826）

應(yīng)用密碼學(xué)的實(shí)踐教學(xué)研究

胡越梅，夏建川，劉效武，李鳳銀

（曲阜師范大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，日照 276826）

應(yīng)用密碼學(xué)作為網(wǎng)絡(luò)空間安全的一門基礎(chǔ)技術(shù)課程，對(duì)整個(gè)學(xué)科的發(fā)展有重要意義。該課程理論基礎(chǔ)復(fù)雜，又要立足應(yīng)用，其實(shí)踐教學(xué)的作用舉足輕重。從實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的設(shè)計(jì)、實(shí)踐教學(xué)方法、考核方法三個(gè)方面對(duì)應(yīng)用密碼學(xué)的實(shí)踐教學(xué)進(jìn)行研究革新，并給出近兩年的實(shí)踐效果。

應(yīng)用密碼學(xué)；案例演示；創(chuàng)新設(shè)計(jì)；競賽驅(qū)動(dòng)

0　引言

《密碼學(xué)》是網(wǎng)絡(luò)空間安全專業(yè)的重要專業(yè)基礎(chǔ)課程，作為一門相對(duì)較新興的課程，密碼學(xué)是集數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、通信與信息系統(tǒng)以及網(wǎng)絡(luò)等多學(xué)科為一體的交叉學(xué)科，涉及到的內(nèi)容非常廣泛，內(nèi)容比較抽象，不易理解。很多學(xué)生在學(xué)習(xí)了《密碼學(xué)》課程之后缺乏實(shí)踐動(dòng)手能力，知識(shí)遺忘速度快，不知道如何利用密碼學(xué)進(jìn)行實(shí)際問題的解決。本文就密碼學(xué)實(shí)踐教學(xué)進(jìn)行探討和研究，給出教學(xué)總結(jié)和思考。

1　實(shí)踐課程總體設(shè)計(jì)思路

要改善整個(gè)密碼學(xué)的教學(xué)效果，就要把實(shí)踐課程作為整個(gè)課程的重要部分。本文從實(shí)驗(yàn)內(nèi)容體系設(shè)計(jì)和實(shí)踐教學(xué)方法兩個(gè)方面對(duì)課程的實(shí)踐教學(xué)進(jìn)行探討。

實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)上，《應(yīng)用密碼學(xué)》課程實(shí)踐環(huán)節(jié)著力于培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計(jì)和開發(fā)能力，并把設(shè)計(jì)創(chuàng)新作為實(shí)踐過程的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。要求學(xué)生對(duì)一些典型的密碼算法進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)，并能進(jìn)行一些綜合性和設(shè)計(jì)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。為此，對(duì)密碼學(xué)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)分為：基本驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)、密碼算法綜合實(shí)驗(yàn)、研究創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)三個(gè)層次，實(shí)驗(yàn)難度依次增大，從而逐步提高學(xué)生的實(shí)踐能力。

從實(shí)驗(yàn)的教授方式上，突破之前以課堂實(shí)驗(yàn)為主的方式，通過案例演示，項(xiàng)目、競賽驅(qū)動(dòng)等教學(xué)方式，從而：（1）讓學(xué)生在理解密碼學(xué)原理的基礎(chǔ)上，將其應(yīng)用于實(shí)踐中，學(xué)以致用。（2）使學(xué)生可以在課堂之外完成大部分實(shí)驗(yàn)，打破由于課時(shí)有限所帶來的局限性。

2　實(shí)驗(yàn)內(nèi)容體系設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要包含有驗(yàn)證性、編程實(shí)現(xiàn)，綜合性和設(shè)計(jì)創(chuàng)新性三個(gè)層次的實(shí)驗(yàn)類型，其中綜合性和設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)主要考查學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解能力以及動(dòng)手編程能力，在密碼學(xué)實(shí)踐課程中占較大的比重。

2.1基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)

該部分實(shí)驗(yàn)主要讓學(xué)生在驗(yàn)證的基礎(chǔ)上了解算法的效果和原理。通過編程進(jìn)一步加深算法的理解，使得學(xué)生可以明確算法的每一步驟在整個(gè)算法中的作用。根據(jù)課程內(nèi)容，設(shè)計(jì)該類實(shí)驗(yàn)如表1所示。

表1　應(yīng)用密碼學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)安排

對(duì)于這些基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)配置了基于云平臺(tái)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，學(xué)生除了課上時(shí)間，可以在課下時(shí)間遠(yuǎn)程訪問實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，突破了課上實(shí)驗(yàn)時(shí)間的限制。

2.2綜合性實(shí)驗(yàn)

在進(jìn)行綜合性實(shí)驗(yàn)時(shí)，學(xué)生分成若干小組，指導(dǎo)老師將實(shí)驗(yàn)的題目提前公布，各小組根據(jù)興趣和能力選擇合適的題目。通過實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的密碼算法，更好地理解算法的步驟、設(shè)計(jì)思想等，并鍛煉學(xué)生的編程能力，根據(jù)課程特點(diǎn)，給出可選的綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)如表2所示。綜合實(shí)驗(yàn)是把握學(xué)生對(duì)課程知識(shí)接受能力的一個(gè)有力檢驗(yàn)，通過綜合性實(shí)驗(yàn)，可以提升學(xué)生對(duì)課本上密碼算法原理和知識(shí)的更高理解。

表2　應(yīng)用密碼學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)安排

2.3設(shè)計(jì)創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)

教師根據(jù)實(shí)際的科研和當(dāng)前應(yīng)用需求，選擇一些具有一定新穎性的題目，譬如移動(dòng)設(shè)備文件安全防護(hù)系統(tǒng)，電子保密柜，基于群密鑰協(xié)商協(xié)議的會(huì)議系統(tǒng)等。各年級(jí)不同專業(yè)的學(xué)生通過自由組合形成項(xiàng)目小組，根據(jù)能力和時(shí)間選擇適當(dāng)?shù)念}目，然后學(xué)生通過查資料，小組內(nèi)定期討論，以及教師的指導(dǎo)，完成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。通過創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，可以讓學(xué)生對(duì)密碼學(xué)的原理和知識(shí)有更深入的理解，并通過密碼學(xué)在具體實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用，把理論和實(shí)踐結(jié)合起來，從而把基礎(chǔ)比較好、興趣比較濃厚的學(xué)生引人科研的大門。

3　實(shí)踐教學(xué)方法探索

密碼學(xué)實(shí)踐教學(xué)的根本目的是使學(xué)生在掌握課本基礎(chǔ)知識(shí)的前提下，通過基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)理解知識(shí)點(diǎn)，通過綜合實(shí)驗(yàn)整合知識(shí)點(diǎn)，并通過創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)運(yùn)用所學(xué)知識(shí)點(diǎn)。本文給出了如下教學(xué)法。

3.1案例教學(xué)法

（1）教學(xué)演示案例

每次理論課都根據(jù)本次教學(xué)的知識(shí)點(diǎn)設(shè)計(jì)合理的演示案例。演示案例通常規(guī)模較小，功能明確，側(cè)重功能實(shí)現(xiàn)，將知識(shí)點(diǎn)通過演示案例串聯(lián)起來，讓學(xué)生直觀地了解知識(shí)點(diǎn)的原理和在實(shí)際環(huán)境中的應(yīng)用，增加學(xué)生對(duì)問題的理解。

（2）優(yōu)秀作品案例

從往屆的學(xué)生提交的綜合實(shí)踐，和大賽提交作品中選擇功能完善、實(shí)用性強(qiáng)、用戶界面良好的優(yōu)秀案例供學(xué)生觀摩。實(shí)踐證明，每次講完對(duì)應(yīng)知識(shí)點(diǎn)后，把往屆學(xué)生的對(duì)應(yīng)的優(yōu)秀作品展示給學(xué)生，每次都能引發(fā)學(xué)生的興奮點(diǎn)，并激起他們開發(fā)出更好作品的愿望和信心。

3.2研究性教學(xué)法

（1）注重知識(shí)的更新拓展。作為一門與實(shí)際應(yīng)用緊密結(jié)合的學(xué)科，伴隨著計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展，密碼學(xué)涉及的內(nèi)容和技術(shù)發(fā)展也很快，這就對(duì)教師提出了更高要求。除了課本上的傳統(tǒng)內(nèi)容，還要多關(guān)注各部分內(nèi)容在國內(nèi)外的最新研究進(jìn)展和成果。

（2）組織課題組和興趣小組，讓對(duì)密碼學(xué)有興趣有能力的學(xué)生參與進(jìn)來，支持他們的創(chuàng)新活動(dòng)。

3.3項(xiàng)目+競賽驅(qū)動(dòng)教學(xué)法

項(xiàng)目+競賽驅(qū)動(dòng)教學(xué)法適用于學(xué)習(xí)各種實(shí)踐性和操作性較強(qiáng)的知識(shí)和技能。伴隨國家對(duì)網(wǎng)絡(luò)空間安全的高度重視，全國以及各省都在舉辦不同形式的信息安全大賽，很多項(xiàng)目的設(shè)計(jì)開發(fā)都是立足于密碼學(xué)的，基于這樣的背景，可以以項(xiàng)目開發(fā)的形式引導(dǎo)學(xué)生參與到各種競賽中。

在項(xiàng)目式實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中以學(xué)生為主體，以教師為主導(dǎo)。通過以下幾個(gè)步驟來實(shí)施項(xiàng)目式教學(xué)：

（1）根據(jù)大賽要求教師提供可選的項(xiàng)目題目或?qū)W生自選符合要求的課題。

（2）對(duì)于教師給出的題目，教師要給出明確的項(xiàng)目目標(biāo)和要求。學(xué)生自行選擇的題目，要和教師溝通匯報(bào)項(xiàng)目的目標(biāo)設(shè)想，教師給與適度的指導(dǎo)，最終確定項(xiàng)目目標(biāo)。

（3）學(xué)生查閱材料，在了解分析初步的可行條件之后，給出具體的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目方案。

（4）學(xué)生小組內(nèi)討論并檢驗(yàn)方案的可行性，由教師審查并最終確定。

（5）學(xué)生利用開放實(shí)驗(yàn)室完成項(xiàng)目。學(xué)生按實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目實(shí)施計(jì)劃，和指導(dǎo)教師保持定期討論，并在規(guī)定時(shí)間內(nèi)修改完成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

（6）學(xué)生提交作品，教師進(jìn)行驗(yàn)收。

通過建立項(xiàng)目讓學(xué)生參與競賽的形式，讓學(xué)生作為項(xiàng)目的負(fù)責(zé)人，將學(xué)生成果提交到大賽中加以檢驗(yàn)，既可以提高學(xué)生的主動(dòng)性、參與性又能提高學(xué)生對(duì)密碼學(xué)應(yīng)用其全過程的理解和掌握。

4　考核方法

對(duì)于上文給出的三類實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，其功能和實(shí)驗(yàn)手段有較大區(qū)別，因此在考核上也要采取不同的方法。本文主要考慮基礎(chǔ)算法驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)和綜合實(shí)驗(yàn)。

算法驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)按照學(xué)院的實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求，有統(tǒng)一格式的，包括實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)環(huán)境、實(shí)驗(yàn)步驟、實(shí)驗(yàn)結(jié)果等。對(duì)于算法實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)，為防止學(xué)生之間相互抄襲，要求學(xué)生在實(shí)驗(yàn)規(guī)定的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行算法編程，給出編程的詳細(xì)說明，并隨堂提交給教師，對(duì)教師進(jìn)行簡潔的實(shí)現(xiàn)說明，教師可以綜合課堂表現(xiàn)，程序編寫完整性和可用性給出考核評(píng)分。

對(duì)于綜合實(shí)驗(yàn)，最終的實(shí)驗(yàn)報(bào)告主要包括項(xiàng)目的功能介紹、實(shí)現(xiàn)工具，方案設(shè)計(jì)、性能測(cè)試、創(chuàng)新性、優(yōu)缺點(diǎn)總結(jié)等。學(xué)生以小組為單位提交給教師，教師組織小組進(jìn)行統(tǒng)一答辯，由教師和學(xué)生共同根據(jù)答辯情況給出實(shí)驗(yàn)考核。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)的總成績，最終由上述實(shí)驗(yàn)中基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)和綜合實(shí)驗(yàn)兩部分加權(quán)求和來確定，權(quán)重系數(shù)分別設(shè)定為：算法驗(yàn)證模塊0.4，算法實(shí)現(xiàn)模塊0.6，作為最終的實(shí)踐考核成績，納入到密碼學(xué)這門課程的綜合成績中。

5　教學(xué)效果及展望

密碼學(xué)作為網(wǎng)絡(luò)空間安全這個(gè)新興學(xué)科的重要基礎(chǔ)學(xué)科，是一門理論知識(shí)深厚，又必須在實(shí)踐中加以檢驗(yàn)的課程，對(duì)其實(shí)踐課程的教學(xué)模式進(jìn)行不斷的改革和探索，勢(shì)在必行。本文通過幾年的密碼學(xué)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)實(shí)踐課程的教學(xué)進(jìn)行了反思和總結(jié)，目前效果良好。從去年開始組織學(xué)生參加各類網(wǎng)絡(luò)安全相關(guān)的大賽。如：齊魯軟件設(shè)計(jì)大賽信息安全技術(shù)設(shè)計(jì)大賽，山東省大學(xué)生信息安全技能大賽，全國問鼎杯大學(xué)生信息安全大賽等，學(xué)生將所學(xué)密碼學(xué)知識(shí)和實(shí)踐中積累的經(jīng)驗(yàn)，應(yīng)用于競賽中，獲得國家級(jí)三等獎(jiǎng)1項(xiàng)，省級(jí)二等獎(jiǎng)2項(xiàng)、三等獎(jiǎng)若干項(xiàng)。時(shí)間雖短，但效果明顯。筆者將繼續(xù)進(jìn)行這方面的教學(xué)實(shí)踐探索，不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，為培養(yǎng)學(xué)習(xí)型、研究型、創(chuàng)新型人才而努力。

［1］丁勇．信息與計(jì)算科學(xué)專業(yè)密碼學(xué)教學(xué)研究［J］．桂林電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，28（2）：131-133.

［2］朱金秀，陳小剛，朱昌平，周妍.項(xiàng)目式實(shí)驗(yàn)教學(xué)的探索與實(shí)踐［J］.實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2008，27（11）：93-95.31-35.

［3］謝絨娜，鄭秀林，李子臣，李曉東.密碼學(xué)課程實(shí)踐教學(xué)體系探索［J］.第九屆中國通信學(xué)會(huì)學(xué)術(shù)年會(huì)論文集［N］，2012：472-475.

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HU Yue-mei，JIAN Chuan-xia，LIU Xiao-wu，LI Feng-yin
（School of Information Science and Engineering，Qufu Normal University，Rizhao 276826）

Applied Cryptography，as a basic technological course of net cyberspace security，is of great significance to the development of the whole discipline.However，considering the complex theory basis and the need for application，practice teaching should be emphasized.Studies Applied Cryptography and innovates from the following three perspectives：the design of the experiment content，the teaching method and the evaluation method followed by the results of the past two years.

Applied Cryptography；Case Demonstration；Innovation Design；Competition-Oriented

1007-1423（2016）27-0010-04DOI：10.3969/j.issn.1007-1423.2016.27.003

胡越梅（1982-），女，江蘇連云港人，教師，碩士研究生，研究方向?yàn)槊艽a算法、網(wǎng)絡(luò)安全協(xié)議設(shè)計(jì)

2016-06-24

2016-09-10Research on Practical Teaching of Applied Cryptography

山東省2013年高?？萍加?jì)劃項(xiàng)目（No.J12LN07）、曲阜師范大學(xué)2015年校級(jí)精品實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目（No.jp2015006）、曲阜師范大學(xué)2015年校級(jí)教學(xué)改革研究項(xiàng)目